一种煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法与流程

1.本发明涉及煤层模拟开采技术领域，尤其涉及一种煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法。


背景技术：

2.在煤炭开采之前，通常采用相似模拟来提前预测煤层及岩层的变化规律。相似材料模拟实验是根据相似原理，运用力学理论与方法，在物理模型上研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的方法。相似材料模拟实验既能全面模拟原型，又能直观地显示力学过程等优点，是解决复杂岩石力学问题的有效途径之一。在相似模拟试验中，如何有效实现模拟煤层开采是试验的关键性问题。
3.目前，在相似模拟实验中，模拟煤层开采的方式主要有以下几种：
4.(1)人工机械开挖式。这是最传统的针对二维相似模拟实验的模拟煤层开挖方法，即通过使用铁制利器，人工的将煤层所在层位挖空。
5.(2)油囊式。煤层所在层位用多个一定规格尺寸的油囊代替，需要开挖时，分别将油囊卸压，这样油囊中的油回流到泵站中，实现模拟煤层开挖。
6.(3)水袋式。水袋式和油囊式类似，即采用多个一定规格尺寸的水袋作为模拟煤层，当需要开挖时，将水袋中的水放出即可。
7.(4)液压升降式。该方式主要是针对三维相似模拟实验，即将一定规格和尺寸的铁板和液压缸相连接，当需要开采时，通过降低液压缸的高度，进而实现模拟煤层开挖。
8.(5)电加热式。将电阻丝密封于石蜡中，用石蜡代替煤层，当需要开挖时，将电阻丝通电，从而将石蜡融化，实现模拟煤层开挖。
9.(6)开采机器人。该发明针对三维相似模拟实验，完全煤层开采过程，该发明需在开切眼位置提前预埋割煤装置，通过多个机械传动装置带动割煤装置移动并完成割煤。
10.现有的模拟煤层开采方式存在以下技术缺陷：
11.(1)人工机械开挖式，开挖过程受操作人开挖强度、开挖间隔不同等因素影响存在差异，模拟结果经相似系数换算后将导致较大误差；
12.(2)油囊式和水袋式，因油囊/水袋形状限制，油/水放出缩小后仍留在远处，无法模拟完全开采情况下的真实采空区高度，影响上覆岩层下塌空间。
13.(3)液压升降式，无法煤层底板。
14.(4)电加热式，石蜡融化后会影响模型顶底板和围岩的胶结强度，导致顶板不易垮落，石蜡溶化后积存在采空区，再次凝固后会影响上覆岩层的下塌空间。
15.(5)开采机器人，微型开采机器人技术因成本高、技术复杂、故障率高等原因在实际模拟试验中尚未应用。
16.有鉴于此，提供一种结构简单、操作方便、成本低、且能够准确煤层开采的煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法成为必要。


技术实现要素：

17.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、成本低、且能够准确煤层开采的煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法。
18.本发明技术方案提供一种煤层相似开采模拟装置，包括箱体、铺设在所述箱体的底板上的底部岩层、铺设在所述底部岩层上的煤层、铺设在所述煤层上的隔水层、铺设在所述隔水层上的含水层和铺设在所述含水层上的上覆岩层；
19.所述箱体的箱体侧板为钢化玻璃，其中，每块所述钢化玻璃的外侧都设置保护支架；
20.处于所述箱体的前侧的一块所述钢化玻璃上设置有沿着左右方向延伸的链条出口；
21.其中，由铺设在所述底部岩层上的链条来模拟待开采煤层，所述链条包括有多条首尾依次连接的链条段，所述链条的链条转轴与所述底部岩层垂直；
22.所述链条段沿着所述底部岩层的左右方向延伸，多条所述链条段沿着前后方向依次排列在所述底部岩层上；
23.所述链条的高度小于所述链条出口的高度，所述链条能够从所述链条出口拉出以模拟煤层开挖。
24.在其中一项可选技术方案中，所述箱体的前侧安装有用于抽拉所述链条的链轮，所述链轮处于所述链条出口的前侧，所述链轮的链轮转轴与所述链条转轴平行，所述链轮转轴安装在处于所述箱体的前侧的所述保护支架上。
25.在其中一项可选技术方案中，处于所述箱体的前侧的所述保护支架上还安装有用于驱动所述链轮转轴转动的驱动电机，所述驱动电机的输出端与所述链轮转轴连接。
26.在其中一项可选技术方案中，处于所述箱体的前侧的所述保护支架上安装有支撑板，所述支撑板上具有与所述链条出口平行的支撑板开口，所述支撑板开口中配置有能够沿着所述支撑板开口滑动的滑块轴承，所述链轮转轴与所述滑块轴承配合；
27.处于所述箱体的前侧的所述保护支架上还配置有与所述支撑板开口平行的支架滑轨，所述驱动电机与支架滑轨滑动连接；
28.所述支撑板上还安装有用于驱动所述滑块轴承往复滑动的往复驱动机构。
29.在其中一项可选技术方案中，所述往复驱动机构为活塞，所述活塞的缸筒与所述支撑板连接，所述活塞的活塞杆与所述滑块轴承连接。
30.在其中一项可选技术方案中，所述链轮的一侧配置有用于防止所述链条脱落的挡板，所述挡板的上端与所述滑块轴承连接，所述挡板的下端处于所述链轮的下方；
31.在所述挡板与所述链轮之间形成有用于所述链条通过的通道。
32.在其中一项可选技术方案中，所述挡板的下端面向所述链轮的一侧安装有用于引导所述链条下落的导向板；
33.所述导向板从所述挡板的下端倾斜向下向前延伸。
34.在其中一项可选技术方案中，所述上覆岩层的上方安装有加压机构。
35.在其中一项可选技术方案中，所述链条的左右两侧具有模拟巷道。
36.本发明技术方案还提供一种煤层相似开采模拟实验方法，其采用前述任一技术方案所述的煤层相似开采模拟装置；
37.所述煤层相似开采模拟实验方法包括如下步骤：
38.s1：在所述箱体的四周安装好相机，并预设好拍照时间间隔；
39.s2：按照预设速度从所述链条出口中拉出所述链条，直至所述链条全部拉出；
40.s3：整理所述相机的拍摄的图像，获得所述底部岩层、所述隔水层、所述含水层及所述上覆岩层的变化规律。
41.采用上述技术方案，具有如下有益效果：
42.本发明提供的煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法，通过链条来模拟开采煤层，每段链条段被拉出即模拟采煤机截割一刀，只要控制抽拉链条的速度即可模拟开采速度，准确性高；可模拟出底部岩层、隔水层、含水层及上覆岩层的变化情况；链条可被全部抽出，不影响上覆岩层的下塌空间，可模拟真实采空区高度；采用机械结构的链条，不影响模型顶底板和围岩的胶结强度，并且成本低、方便操作、故障率低。
附图说明
43.参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
44.图1为本发明一实施例提供的煤层相似开采模拟装置沿着左右方向的剖视图；
45.图2为本发明一实施例提供的煤层相似开采模拟装置沿着前后方向的剖视图；
46.图3为钢化玻璃上具有链条出口的立体图；
47.图4为链条的布置示意图；
48.图5为保护支架的立体图；
49.图6为支撑板的立体图；
50.图7为滑块轴承的剖视图；
51.图8为支架滑轨与滑动杆的连接示意图；
52.图9为在支撑板与滑块轴承之间连接有往复驱动机构的俯视图；
53.图10为与滑块轴承里连接的挡板配置在链轮的一侧的示意图；
54.图11为链条与链轮啮合的示意图；
55.图12为挡板的下端安装有导向板的示意图；
56.图13为通过链轮向外抽拉链条的示意图。
具体实施方式
57.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
58.如图1-5和图13所示，本发明一实施例提供的煤层相似开采模拟装置，包括箱体100、铺设在箱体100的底板上的底部岩层1、铺设在底部岩层1上的煤层2、铺设在煤层2上的隔水层5、铺设在隔水层5上的含水层6和铺设在含水层6上的上覆岩层7。
59.箱体100的箱体100侧板为钢化玻璃101，其中，每块钢化玻璃101的外侧都设置保护支架200。
60.处于箱体100的前侧的一块钢化玻璃101上设置有沿着左右方向延伸的链条出口
102。
61.其中，由铺设在底部岩层1上的链条3来模拟待开采煤层，链条3包括有多条首尾依次连接的链条段31，链条3的链条转轴32与底部岩层1垂直。
62.链条段31沿着底部岩层1的左右方向延伸，多条链条段31沿着前后方向依次排列在底部岩层1上。
63.链条3的高度小于链条出口102的高度，链条3能够从链条出口102拉出以模拟煤层开挖。
64.本发明提供的煤层相似开采模拟装置，用于通过链条3来模拟煤层开采。
65.煤层相似开采模拟装置包括箱体100，箱体包括箱体底板、箱体顶板和四块箱体侧板。为了方便相机拍摄内部岩层的变化规律，四块箱体侧板采用钢化玻璃101。将箱体面向链条抽拉操作人员的一侧称之为前侧，反向称之为后侧，则与前后方向垂直的方向为左右方向。为了对钢化玻璃101提供保护，在每块钢化玻璃101的外侧都安装有保护支架200。保护支架200为框架式结构，其包括支架底板201、支架顶板202和两条支架侧板203。在两条支架侧板203之间连接有支架横梁204。支架底板201、支架顶板202和两条支架侧板203处于钢化玻璃101的四周边缘的外侧。
66.在前侧的钢化玻璃101上开设有链条出口102，其沿着左右方向水平延伸。
67.在箱体100中从下往上依次铺设有或构筑有底部岩层1(煤层底板)、煤层2、隔水层5(煤层顶板)、含水层6和上覆岩层7。根据实际需要，可选择构筑或铺设各岩层或多层煤层2。
68.其中，煤层2的待开采煤层由链条3组成。链条3为一整条，链条3沿着图4所示的箭头的方向在底部岩层1上弯折排列，从而将链条3分为多条首尾依次连接的链条段31。每条链条段31都与链条出口102平行，也即是沿着左右方向延伸。多条链条段31沿着前后方向依次排列在底部岩层1上。链条3的链条转轴32与底部岩层1垂直，且链条3的高度小于链条出口102的高度，从而使得链条3能够从链条出口102拉出以模拟煤层开挖。在铺设链条3，将最前面的链条段31的一端先从链条出口102伸出，以供操作人员拉出链条3。
69.在需要模拟煤层开采时，先在箱体100的四周安装好相机，并预设好拍照时间间隔。然后按照预设速度从链条出口102中拉出链条3，直至链条3全部拉出，预设速度根据实际采煤速度乘以煤层相似开采模拟装置的相似比来确定。然后整理相机的拍摄的图像，并将图像数据导入计算机进行绘图，从而获得底部岩层1、隔水层5、含水层6及上覆岩层7的变化规律。
70.本实施例中，实验人员可手持链条3将其按照预设速度匀速拉出即可。
71.由此，本发明提供的煤层相似开采模拟装置，通过链条3来模拟开采煤层，每段链条段31被拉出即模拟采煤机截割一刀，只要控制抽拉链条3的速度即可模拟开采速度，准确性高；可模拟出底部岩层1、隔水层5、含水层6及上覆岩层7的变化情况；链条3可被全部抽出，不影响上覆岩层的下塌空间，可模拟真实采空区高度；采用机械结构的链条3，不影响模型顶底板和围岩的胶结强度，并且成本低、方便操作、故障率低。
72.在其中一个实施例中，如图2和图13所示，箱体100的前侧安装有用于抽拉链条3的链轮9，链轮9处于链条出口102的前侧，链轮9的链轮转轴91与链条转轴32平行，链轮转轴91安装在处于箱体100的前侧的保护支架200上。
73.本实施例中，在前侧的保护支架200上安装有链轮转轴91，链轮转轴91可通过轴承与支架横梁204连接。链轮9安装在链轮转轴91上。链轮9处于链条出口102的前侧。实验时，可将链条3与链轮9啮合，操作人员可通过手柄转动链轮转轴91，链轮转轴91带动链轮9转动，进而将链条3匀速拉出。拉出的链条3可在链轮9的前下方收起，无需都缠绕在链轮9上，以避免影响与后面的链条3的啮合。
74.在其中一个实施例中，如图2所示，处于箱体100的前侧的保护支架200上还安装有用于驱动链轮转轴91转动的驱动电机10，驱动电机10的输出端与链轮转轴91连接。
75.在其中一个实施例中，如图2和图5-8所示，处于箱体100的前侧的保护支架200上安装有支撑板11，支撑板11上具有与链条出口102平行的支撑板开口111，支撑板开口111中配置有能够沿着支撑板开口111滑动的滑块轴承12，链轮转轴91与滑块轴承12配合。
76.处于箱体100的前侧的保护支架200上还配置有与支撑板开口111平行的支架滑轨13，驱动电机10与支架滑轨13滑动连接。
77.支撑板11上还安装有用于驱动滑块轴承12往复滑动的往复驱动机构15。
78.本实施例中，可实现链轮9沿着左右方向往复移动，以与链条3的抽拉速度同步，从而保持链条3的伸出部分始终朝向而不倾斜，方便拉出链条3。
79.前侧的保护支架200上安装有水平延伸的支撑板11。支撑板11上具有支撑板开口111，支撑板开口111与链条出口102平行。支撑板开口111中配置有滑块轴承12，滑块轴承12能够沿着支撑板开口111滑动。支撑板开口111的侧壁具有导向槽112。滑块轴承12的外圈上具有凸块，滑块轴承12的外圈间隙配合在支撑板开口111中，凸块间隙配合在导向槽112中，凸块可以对滑块轴承12实现上下限位。链轮转轴91与滑块轴承12的内圈配合。滑块轴承12的内圈可相对于滑块轴承12的外圈转动。支撑板11可安装在支架横梁204上。前侧的保护支架200上还配置有支架滑轨13，支架滑轨13与支撑板开口111平行。支架滑轨13可安装在支架横梁204上。图3中仅示出了两条支架横梁204，根据需要，当然布置多条支架横梁204。
80.支架滑轨13上安装有水平向前延伸的滑动杆14。支架滑轨13为滑槽，其内部具有十字形导向槽，滑动杆14的后端具有十字形凸筋，十字形凸筋间隙配合在十字形导向槽中。支架滑轨13前侧的为滑槽的开口。滑动杆14从滑槽的开口穿出。滑动杆14可沿着支架滑轨13滑动。驱动电机10通过紧固件连接在滑动杆14的下方。
81.支撑板11上安装有往复驱动机构15，往复驱动机构15的输出端与滑块轴承12的外圈上的连接板连接，往复驱动机构15用于驱动滑块轴承12沿着支撑板开口111往复滑动。
82.根据需要，可在支撑板开口111的左右两端或滑块轴承12左右移动的极限位置安装限位传感器113，限位传感器113与往复驱动机构15连接，用于向往复驱动机构15传输位置信号，以供往复驱动机构15调节推动滑块轴承12的方向。
83.以图13为例，根据预设速度提前设定好驱动电机10的转速和往复驱动机构15的推拉滑块轴承12的速度，往复驱动机构15的推拉滑块轴承12的速度与预设速度相等。
84.开启驱动电机10和往复驱动机构15，驱动电机10带动链轮转轴91逆时针转动，则链轮9被驱动转动抽拉链条3，同时往复驱动机构15向图13的右侧推动滑块轴承12，滑块轴承12带动链轮转轴91同步向右移动，链轮转轴91带动链轮9同步向右移动。当滑块轴承12向右移动到到位时，右侧的限位传感器113向往复驱动机构15发出信号，往复驱动机构15向左拉动滑块轴承12，驱动电机10保持带动链轮9逆时针转动，链条3被持续拉出，滑块轴承12带
动链轮转轴91及链轮9同步向左移动，当滑块轴承12向左移动到到位时，左侧的限位传感器113向往复驱动机构15发出信号，往复驱动机构15再向右推动滑块轴承12。如此往复操作，直至完全将链条3拉出，则关闭驱动电机10和往复驱动机构15。在整个过程中，链条3被拉出的部分都与钢化玻璃110垂直，可避免因链条3倾斜影响其抽拉速度和与链轮9的配合。
85.往复驱动机构15可选择电机、齿轮、齿条装置，也可选择油缸、气缸等活塞装置，都可实现自动控制。
86.在其中一个实施例中，如图9所示，往复驱动机构15为活塞，活塞的缸筒151与支撑板11连接，活塞的活塞杆152与滑块轴承12连接。
87.本实施例中，往复驱动机构15采用活塞，方便安装。
88.在其中一个实施例中，如图10-11所示，链轮9的一侧配置有用于防止链条3脱落的挡板16，挡板16的上端与滑块轴承12连接，挡板16的下端处于链轮9的下方。在挡板16与链轮9之间形成有用于链条3通过的通道17。
89.本实施例中，挡板16的上端连接在滑块轴承12的外圈的底部，其可随着滑块轴承12同步移动。挡板16处于链轮9接收链条3的一侧，图11和图13中，则挡板16处于链轮9的左侧。挡板16的下端处于链轮9的下方，挡板16的宽度大于链条3中的3个链片的长度。在挡板16与链轮9之间形成有通道17，通道17的宽度稍大于链条3的宽度，从而可保证链条3至少与链轮9的一个齿啮合，避免链条3从链轮9上脱落
90.在其中一个实施例中，如图10和图12所示，挡板16的下端面向链轮9的一侧安装有用于引导链条3下落的导向板161。导向板161从挡板16的下端倾斜向下向前延伸。离开通道17的链条3自动落到导向板161上向前下方滑动收起。
91.在其中一个实施例中，如图1-2所示，上覆岩层7的上方安装有加压机构8，可模拟对上覆岩层7的加压。加压机构8可选择气囊，或油缸81与压板82的组合。
92.在其中一个实施例中，如图1和图13所示，链条3的左右两侧具有模拟巷道4。在构筑煤层2时，可在煤层的待开采区的两侧放置两个木盒，在各相似层构筑完成后，可将木盒抽出，即形成了模拟巷道4，在实验时，可观测模拟巷道4的变化，以为后续采煤提供相应的支护方案。
93.结合图1-13所示，本发明实施例提供一种煤层相似开采模拟实验方法，其采用前述任一实施例所述的煤层相似开采模拟装置。
94.煤层相似开采模拟实验方法包括如下步骤：
95.s1：在箱体100的四周安装好相机，并预设好拍照时间间隔。
96.s2：按照预设速度从链条出口102中拉出链条3，直至链条3全部拉出。
97.s3：整理相机的拍摄的图像，获得底部岩层1、隔水层5、含水层6及上覆岩层7的变化规律。
98.在采用煤层相似开采模拟装置来模拟煤层开采时，先在箱体100的四周安装好相机，并预设好拍照时间间隔。然后按照预设速度从链条出口102中拉出链条3，直至链条3全部拉出，预设速度根据实际采煤速度乘以煤层相似开采模拟装置的相似比来确定。然后整理相机的拍摄的图像，并将图像数据导入计算机进行绘图，从而获得底部岩层1、隔水层5、含水层6及上覆岩层7的变化规律。
99.由此，本发明提供的煤层相似开采模拟实验方法，通过链条3来模拟开采煤层，每
段链条段31被拉出即模拟采煤机截割一刀，只要控制抽拉链条3的速度即可模拟开采速度，准确性高；可模拟出底部岩层1、隔水层5、含水层6及上覆岩层7的变化情况；链条3可被全部抽出，不影响上覆岩层的下塌空间，可模拟真实采空区高度；采用机械结构的链条3，不影响模型顶底板和围岩的胶结强度，并且成本低、方便操作、故障率低。
100.根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
101.以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。